铁电隧道结（FTJs）具有结构简单、低功耗、读写速度快、非破坏性读出等诸多优点，被认为是下一代非挥发信息存储技术的有力竞争者。作为一种存储器件，翻转耐久性是决定其能否实际应用的重要性能指标。尽管阻变疲劳现象已经在不同结构的铁电隧道结中数次观测到，但导致随数据擦/写翻转循环增加、ON/OFF开关电流比值减小的物理机制却不清晰，阻变疲劳问题已成为FTJ器件向工业化发展的一个重要制约因素。

我院温峥课题组以Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃隧道结为研究对象，通过高分辨透射电子显微镜（STEM）、电子能量损失谱（EELS）、压电力显微镜（PFM）等微观手段，结合阻变测试和第一性原理计算，在原子尺度上观测到氧空位聚集形成的铁电死层和局部的钙钛矿型晶格结构破坏导致的BaTiO₃势垒极化的衰退和FTJ器件ON/OFF开关比值的下降，揭示了铁电隧道结阻变疲劳的物理机制，并为其它低维铁电器件的可靠性研究提供了参考。另一方面，该工作还验证了Pt/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃隧道结在经历了3×10⁶次饱和阻变翻转后，仍能保持10⁶的开关比。其性能已经比商用FLASH存储器的耐久性指标（10⁴~10⁵次擦/写循环）提高了至少三十倍。相关成果以“Atomic-scale fatigue mechanism of ferroelectric tunnel junctions”为题发表在《Science Advances》期刊上（DOI: 10.1126/sciadv.abh2716）。青岛大学物理科学学院为论文第一完成单位。我院硕士研究生杨以浩为第一作者、西安交通大学吴明博士和山东大学博士生郑兴稳为共同第一作者。温峥教授、新加坡国立大学Stephen J Pennycook教授和山东大学刘晓辉教授为共同通讯作者。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh2716